新型直接带隙光伏材料—让懒惰的He也干点实事

随着人口的增长和经济发展的需求，人类需要更多的能源来创造更好的生活环境。然而，传统化石燃料的使用正导致全球气候变化、空气污染、酸雨和其他严重的环境问题。因此，能源成为国际环境和发展议程上最重要的问题之一。光伏器件提供了一种清洁、可靠的方式将太阳能转化为电能，以满足日益增长的能源需求。良好的光伏材料应具有直接带隙并且满足电偶极子跃迁条件，而肖克利极限预测 1.34 eV 的直接带隙可实现单个 p-n 结的最高太阳能转换效率（33.7%）。由于价格低廉，硅太阳能电池在光伏市场领域备受关注。然而，间接电带隙和较大光学带隙（大于 3 eV）严重制约薄膜硅对可见光的吸收效率，增加厚度可以提高太阳能转换效率，但将大大增加商业成本。因此，寻找具有电偶极子跃迁允许的直接带隙硅的同素异形体或硅化物具有重要意义。

来自江苏师范大学物理与电子工程学院的石景明博士和李印威教授等人利用晶体结构预测技术（CALYPSO）与第一性原理相结合，在高压下发现氦和硅可以形成4种动力学稳定的Si2He相(oP36-Si2He,tP9-Si2He, mC18-Si2He和mC12-Si2He)。这四个相均具有主-客体结构，其中硅原子构成通道型主框架，而氦原子作为客体原子填充在通道之中。移除氦原子之后，oP36-Si2He、tP9-Si2He和mC12-Si2He中的硅框架可以保留到常压，得到3种硅的同素异形体。其中，oP36-Si2He和mC12-Si2He具有直接带隙，分别为1.24 eV和1.34 eV，接近太阳能电池应用的最佳值(~1.34 eV)。进一步研究表明，mC12-Si2He满足电偶极子跃迁允许特性并且具有比CD-Si更加优异的光吸收性能，使得其成为一种极具潜力的太阳能电池候选材料。另外，该研究表明氦是调节材料性能的优良元素，亦是合成功能材料的中间体。此研究利用氦不仅设计了具有直接带隙的光伏材料并且提出了一种寻找硅单质的同素异形体有效途径，为设计功能材料和寻找单质的同素异形体提供了理论指导。